多跨連續(xù)小箱梁加固施工吊架安全性分析

李志新

（長(zhǎng)治公路分局，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程概況

某特大橋修建于2002年，上部結(jié)構(gòu)采用（40.19+8×40.34）m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁+13×（40.34+2×40.3+40.34）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+5×30.24 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁+（30.24+4×30.2+30.14）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁；下部結(jié)構(gòu)為矩形薄壁式空心墩及雙柱式橋墩，三柱式及埋置式橋臺(tái)，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁；橋面鋪裝為8 cm C40混凝土橋面現(xiàn)澆層+7 cm瀝青混凝土鋪裝；橋面寬度為0.5 m（護(hù)欄）+15.5 m（行車道）+3 m（中央分隔帶）+15.5 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）；設(shè)計(jì)荷載為汽-超20，掛-120。

在2015—2016年度橋梁檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)橋跨結(jié)構(gòu)中部分主梁存在腹板、翼板和底板縱向裂縫及腹板豎向裂縫，少數(shù)主梁底板存在橫向裂縫，個(gè)別主梁底板裂縫與腹板裂縫貫通，呈L型或U型分布；部分薄壁空心墩蓋梁存在豎向裂縫；全橋局部混凝土存在破損、露筋等病害，影響橋梁安全性和耐久性，需進(jìn)行橋梁承載能力提升加固。該橋箱梁加固方法分為兩種：其一為“鋼板-混凝土”+無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力組合加固（抗彎加固）以及粘貼鋼板（抗剪加固）；其二為體外預(yù)應(yīng)力加固。

2 施工吊架方案

2.1 吊架概況

大橋橋?qū)?7 m，承重吊架寬度采用18 m，其中向外側(cè)延伸0.75 m[2]（方便施工材料機(jī)具從橋面上向吊架上運(yùn)送），向內(nèi)側(cè)延伸0.25 m。

施工作業(yè)平臺(tái)主要荷載有：吊架自重、人員機(jī)具施工荷載、鋼板平鋪荷載、吊點(diǎn)不均勻高差等。其中鋼板平鋪荷載應(yīng)考慮到施工過(guò)程中存在鋼板層疊的狀態(tài)。由于鋼板自重較大，施工人員在鋼板安裝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較為集中的情況，其荷載集度往往遠(yuǎn)大于規(guī)范取值（1 kN/m2），經(jīng)測(cè)算為 2 kN/m2；吊索錨固點(diǎn)在施工過(guò)程中受箱梁腹板內(nèi)鋼筋的影響，位置偏差可達(dá)5 mm～1 cm不等，其對(duì)吊架縱橫向桿件受力的影響不可忽視。

2.2 吊架組成

吊架橫向桿件采用B100×4 mm的Q235方管，縱向間距為5/3=1.667 m，以充分利用橋梁原有泄水孔（縱向間距為5 m）作為吊架吊點(diǎn)。

吊架縱向桿件采用φ48×3.5 mm的Q235鋼管，橫向間距為0.5 m均布，縱管用鐵絲綁扎于橫向桿件的上方。

吊架吊索采用單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，鋼絲繩的公稱直徑為16 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 570 MPa，最小破斷拉力為69.8 kN。吊索下端采用繩環(huán)套于橫向H型鋼上，中吊索上端采用繩環(huán)掛在設(shè)于距箱梁底板垂直高度為1.2 m處的腹板外側(cè)錨固點(diǎn)上，邊吊索上端掛在設(shè)于護(hù)欄外側(cè)根部的錨固點(diǎn)上或套于泄水孔和中央分隔帶頂面上方橫擔(dān)的φ48×3.5 mm鋼管上，其中中央分隔帶橫擔(dān)鋼管處的吊點(diǎn)應(yīng)緊貼同側(cè)箱梁翼緣板。吊索鋼絲繩采用專用卡頭制作成兩頭均帶繩環(huán)的吊繩，每端卡頭數(shù)量均不得小于3個(gè)。吊索橫向分布間距為：0.75（外側(cè)）+1.36+（1.48+1.72）×4+1.48+1.36+0.25（ 內(nèi) 側(cè)）=18 m。吊索縱向分布間距同橫管縱距1.667 m。

吊架施工平臺(tái)表面采用竹架板橫向滿鋪于縱向鋼管上，并采用鉛絲與縱向鋼管綁扎牢靠，形成人員行走和施工機(jī)具堆放的操作平臺(tái)。對(duì)于上跨下穿道路和下面有建筑的橋跨，再加鋪一層土工布以防止施工過(guò)程中混凝土碎渣或小型工具掉落，造成橋下方人員車輛或建筑物受損傷。

吊架臨空面采用φ48×3.5 mm的Q235鋼管搭設(shè)護(hù)欄，護(hù)欄高度不小于1.2 m，橫管設(shè)3層。護(hù)欄上懸掛一層密眼距尼龍安全網(wǎng)和一層密眼距的塑料綠網(wǎng)，以起到安全防護(hù)和視線誘導(dǎo)的作用。

圖1 吊架布置圖（單位：cm）

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1 主要材料參數(shù)

a）縱鋼管φ48×3.5 mm無(wú)縫鋼管參數(shù)（實(shí)際鋼管壁厚不足，實(shí)測(cè)厚度范圍2.7～3.4 mm，按φ48×3.0 mm進(jìn)行計(jì)算），截面積為 424 mm2，慣性矩1.08×105mm4，回轉(zhuǎn)半徑15.96 mm，采用Q235鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，Q235抗拉、抗壓和抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為205 MPa。

b）吊索鋼絲繩采用單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，鋼絲繩的公稱直徑為16 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 570 MPa，最小破斷拉力為123 kN。

c）吊架橫桿采用B100×4 mm的Q235方管，方管截面積為1 194 mm2，慣性矩2.263 3×106mm4，采用Q235鋼材，彈性模量：2.05×105MPa，抗拉、抗壓和抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度值215 MPa（壁厚小于等于16 mm）。

d）吊索錨固點(diǎn)采用φ 22鋼筋，截面積為380 mm2， 慣 性 矩 1.149 9 ×104mm4， 材 質(zhì) 為HRB400，彈性模量：2.06×105MPa，抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值330 MPa，吊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.6倍，即198 MPa。

3.2 計(jì)算荷載

a）竹膠板根據(jù)進(jìn)場(chǎng)材料稱重結(jié)果，荷載取值為0.15 kN/m2。

b）加固施工以單片箱梁為對(duì)象，施工過(guò)程中施工荷載（人員機(jī)具等）分布呈現(xiàn)明顯的沿箱梁縱向分布的特點(diǎn)，參考《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011），并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)人員機(jī)具荷載取值，梁底取值2 kN/m2，翼板底為1 kN/m2。

c）鋼板最不利荷載取值，考慮2塊8 mm厚鋼板疊加分布于施工平臺(tái)上，鋼板重量為62.8 kg/m2，相鄰縱梁鋼管最大間距為0.64 m。

d）由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，吊架平臺(tái)吊點(diǎn)位置縱桿、橫桿實(shí)際存在不均勻高差[3]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行最不利吊點(diǎn)不均勻高差取值，其中縱桿取10 mm，橫桿取5 mm。

3.3 荷載組合

按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011） 和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）相關(guān)條款的規(guī)定，強(qiáng)度驗(yàn)算采用基本組合，撓度驗(yàn)算采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

a）基本組合 1.2吊架自重（含竹架板荷載）+1.4人員機(jī)具荷載+1.4鋼板平鋪荷載+1.0吊點(diǎn)不均勻高差；

b）標(biāo)準(zhǔn)組合 1.0吊架自重（含竹架板荷載）+1.0人員機(jī)具荷載+1.0鋼板平鋪荷載+1.0吊點(diǎn)不均勻高差。

4 施工吊架有限元分析

4.1 建立模型

根據(jù)施工支架設(shè)計(jì)方案，選取一跨42 m施工吊架進(jìn)行分析檢算，模型采用大型通用空間有限元軟件建立，吊架空間有限元模型見圖2，共劃分為435個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 066個(gè)單元，建模的過(guò)程中根據(jù)構(gòu)件的需要分別采用梁?jiǎn)卧鞍鍐卧M[4]，吊桿、縱橫鋼管采用梁?jiǎn)卧?，鋼材主要為Q235，施工平臺(tái)竹膠板采用板單元，邊界條件與實(shí)際布置一致，吊點(diǎn)錨固位置固定約束，吊架縱桿與橫桿之間采用彈性連接模擬。

圖2 施工吊架分析模型

4.2 縱橫桿強(qiáng)度驗(yàn)算

施工吊架主要承重構(gòu)件包括縱桿、橫桿及吊索鋼絲繩，為了保證臨時(shí)吊架關(guān)鍵構(gòu)件滿足安全施工要求，對(duì)各主要構(gòu)件的的強(qiáng)度分別進(jìn)行了驗(yàn)算?？v橫桿基本組合正應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見圖3，由驗(yàn)算結(jié)果可知在基本組合的最不利狀態(tài)下，φ48×3.0 mm縱桿（無(wú)縫鋼管）最大正應(yīng)力為77 MPa，小于《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）中5.2.1條Q235A鋼材抗壓、抗拉和抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度值205 MPa的要求，橫桿最大正應(yīng)力為127 MPa，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中 4.1.1條Q235鋼材抗壓、抗拉和抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度值215 MPa的要求，且有較大安全儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)安全。

圖3 吊架縱橫桿應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果（單位：MPa）

4.3 縱橫桿剛度驗(yàn)算

支架在施工過(guò)程中除了具有足夠的強(qiáng)度保證施工過(guò)程不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞外，結(jié)構(gòu)還必須具有足夠的剛度，以滿足施工過(guò)程的需要。縱橫桿標(biāo)準(zhǔn)組合撓度驗(yàn)算結(jié)果見圖4和圖5，由驗(yàn)算結(jié)果可知在標(biāo)準(zhǔn)組合的最不利狀態(tài)下，φ48×3.0 mm縱桿（無(wú)縫鋼管）最大撓度為 9.86-（0.29+4.68）/2=7.4 mm，小于《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）中5.2.3條腳手架縱向、橫向水平桿撓度小于L/150=1 667/150=11.1 mm的要求。橫桿最大撓度為 5.11-（3.09+3.09）/2=2.0 mm，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中附錄A小于L/150=1 480/400=3.7 mm的要求。

圖4 吊架縱桿撓度驗(yàn)算結(jié)果（單位：mm）

圖5 吊架橫桿撓度驗(yàn)算結(jié)果（單位：mm）

4.4 鋼絲繩破斷力驗(yàn)算

基本組合的最不利狀態(tài)下，公稱直徑為16 mm的單根纖維芯6×19圓股鋼絲繩，最大索力為19.8 kN，小于該直徑公稱抗拉強(qiáng)度1 570 MPa級(jí)鋼絲繩破斷力123 kN，安全系數(shù)為123/19.8=6.2，滿足要求。

由于吊索錨固錨栓承受吊索鋼絲繩對(duì)其的剪切力，在承載能力極限狀態(tài)下，其橫斷面最大剪切應(yīng)力為：τ=P/A=19.8×103N/380 mm2=52.1 MPa＜330×0.6=198 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某特大橋?yàn)槔瑢?duì)小箱梁加固施工吊架的布置方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)借助空間有限元模型建立施工吊架的分析模型，對(duì)吊架主要承重構(gòu)件，縱橫桿的強(qiáng)度、剛度及吊架錨固點(diǎn)可靠性均進(jìn)行驗(yàn)算。通過(guò)強(qiáng)度、剛度分析明確了施工吊架的最大應(yīng)力及變形，通過(guò)錨固點(diǎn)可靠性分析，確定了錨固螺栓施工過(guò)程最不利應(yīng)力，對(duì)施工吊架的安全性進(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià)，分析方法可供類似工程借鑒。